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제로 드리프트 증폭기를 사용하여 DC 정밀도와 광대역폭을 모두 달성하는 방법

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글/Bill Schweber, Digi-Key 북미 편집자 제공

실제로 존재하는 수많은 센서 신호, 특히 자연 현상과 관련된 신호는 시간 흐름에 비해 매우 느리고 미미한 변화만을 보여준다. 그러나 이러한 미묘한 변화는 상황에 대한 통찰력과 이해도를 높이는 데 중요하다. 예를 들면, 교량이나 구조물의 움직임을 모니터링하는 스트레인 게이지, 전류 흐름에 대한 수중 트랜스듀서, 온도 관련 현상, 지진 및 지각판 이동과 관련된 동작을 감지하는 가속도계, 다양한 광학 센서의 출력, 거의 모든 생체 전위 신호 등 많다.

매우 낮은 수준의 신호를 효과적으로 정확하게 캡처하는 것은 항상 어려운 과제였다. 이러한 신호는 잡음에 의해 쉽게 손상되므로 필요한 진폭을 달성하고 신호 대 잡음비(SNR)를 유지하려면 신호를 증폭하는 것이 중요하다. 이러한 신호의 저주파(대개 한 자리 또는 수십 헤르츠(Hz)이며 보편적으로 ‘DC 신호’라고도 함)는 문제를 가중시킨다.

바이어스 전류 또는 전압 오프셋, 고유한 1/f(분홍색) 잡음과 같은 증폭기 파라미터의 초기 DC 오프셋은 물론 온도 유도 드리프트, 전력 레일 변동 또는 부품 노화로 인한 불가피한 성능 변화는 신호 체인 성능을 저하시킨다.

일반적으로 ‘제로 드리프트’ 증폭기의 경우 동적 오차 감소 기술이 더 높은 주파수에서 과도한 아티팩트를 생성하기 때문에 저대역폭 응용 분야에만 사용할 수 있었다. 그러나 이러한 사용은 매우 제한적이다. DC와 유사한 신호에는 구조물이 갑자기 부서지거나 지진이 발생하는 경우와 같이 주파수가 더 높고, 대역폭이 더 넓은 활동에 중요한 버스트가 갑자기 발생할 수 있기 때문이다.

이러한 사유로 DC와 유사한 신호에 드리프트가 매우 낮고 고주파수 성능이 우수한 프런트 엔드 증폭기가 매우 바람직하다. 다행히 토폴로지 및 설계의 개선으로 DC에서 더 높은 주파수로 작동하기 위한 제로 드리프트 증폭기 IC를 개발하여 오프셋, 파라미터 드리프트, 1/f 잡음을 근본적으로 제거하게 되었다.

이 기사에서는 Analog Devices(ADI)의 부품을 사용하여 제로 드리프트 증폭기의 세부 사항, 파라미터, 문제를 설명한다. 그런 다음 제로 드리프트 증폭기 기능을 구현하는 방법과 증폭기 및 관련 신호 체인의 성능을 개선하는 기술을 살펴본다.

비제로 드리프트 처리

드리프트는 기본 성능의 변화이며 주로 센서와 AFE(아날로그 프런트 엔드) 회로망의 다양한 열 효과에 기인하지만 전적으로 그런 것은 아니다. 제로 드리프트에 근접한 기존 솔루션은 저주파 신호(DC 신호라고도 함)를 제어하고 필터링하기 용이한 더 높은 주파수로 변조하는 초퍼 안정화 증폭기를 사용하는 것이다. 증폭기에 의한 후속 출력 스테이지 복조는 원래 신호를 복원하지만 증폭된 형태로 복원된다. 이 기술은 효과적이었으며 수년간 성공적으로 사용되었다.

참고로 ‘DC 신호’라는 용어는 다소 적합하지 않고 더 정확한 표현은 ‘DC 근사’이다. 신호가 실제로 DC여서 일정한 값이었다면 정보 베어링 변동이 없었을 것이다. 대신 느린 변동이 관심의 대상이 된다. 그럼에도 ‘DC 신호’를 일반적인 용어로 사용한다.

초퍼 기반 안정화 장치의 대안은 ‘자동 제로 조정’ 방식이다. 이 기술은 동적 보정을 사용하여 유사한 결과를 달성하지만 성능 트레이드 오프는 약간 다르다. 제로 드리프트 연산 증폭기는 초핑, 자동 제로 조정 또는 두 기술을 결합하여 원하지 않는 저주파 오차 원인을 제거할 수 있다. 다시 말씀 드리지만 여기에는 사소한 용어 문제가 있다. ‘제로 드리프트’라는 용어는 약간 오해의 소지가 있다. 이러한 증폭기는 극단적으로 낮아 제로 드리프트에 매우 근접하지만 완전히 제로는 아니다. 각 기술은 장단점이 있으며 다음과 같은 다양한 응용 분야에서 사용된다.

• 초핑은 신호 변조 및 복조를 사용하며 기저대역 잡음이 낮지만 초핑 주파수 및 해당 고조파에서 잡음 아티팩트를 생성한다.

• 그 대신에 자동 제로 조정은 샘플 앤 홀드 회로를 사용하여 더 넓은 대역에 적합하지만 스펙트럼의 기저대역 부분에 대한 잡음 ‘폴드백’으로 인해 대역 내 전압 잡음이 더 많다.

• 고급 제로 드리프트 증폭기 IC는 두 기술을 결합하여 두 기술의 장점을 모두 제공한다. 잡음 스펙트럼 강도(NSD)를 관리하여 기저대역 잡음을 낮추면서 리플, 결함, 상호 변조 왜곡(IMD) 등의 고주파 오차를 최소화한다(그림 1).

초핑으로 시작

초퍼 안정화 증폭기(초핑 증폭기 또는 간단히 ‘초퍼’라고도 함)는 초핑 회로를 사용하여 입력 신호를 변조된 AC 신호인 것처럼 처리할 수 있도록 절단(초핑)한다. 그런 다음 출력에서 신호를 다시 DC 신호로 복조하여 원래 신호를 추출한다.

이러한 방식으로 원하지 않는 드리프트의 영향을 거의 0으로 최소화하면서 매우 작은 DC 신호를 증폭할 수 있다. 초핑 변조는 오차를 더 높은 주파수로 변조하여 신호 내용에서 오프셋 및 저주파 잡음을 분리한다. 이후 필터링을 통해 오차를 훨씬 더 쉽게 최소화하거나 제거한다.

자세한 초핑 동작은 시간 영역에서 쉽게 이해할 수 있다(그림 2). 입력 신호(a)는 초핑 신호(b)에 의해 방형파로 변조된다. 이 신호는 출력(d)에서 DC로 복조(c)된다. 증폭기 고유의 저주파 오차(빨간색 파형)는 출력에서 방형파로 변조(c)된 다음 저역 통과 필터(LPF)로 필터링(d)된다.

주파수 영역 분석도 유용하다(그림 3). 입력 신호(a)는 초핑 주파수(b)에 따라 변조되고 fCHOP에서 이득 스테이지를 통해 처리되며 출력에서 다시 DC(c)로 복조되고 마지막으로 LPF(d)를 통과한다. 증폭기의 오프셋 및 잡음 원인(빨간색 신호)은 이득 스테이지를 통해 DC에서 처리되고 출력 초핑 스위치(c)에 의해 fCHOP으로 변조되며 최종적으로 LPF(d)로 필터링된다. 방형파 변조를 사용하기 때문에 변조 주파수의 홀수 배수 부근에서 변조가 발생한다.

물론 완벽한 설계는 없다. 시간 영역과 주파수 영역 그림 모두 LPF가 완벽한 ‘필터’는 아니기 때문에 변조된 잡음 및 오프셋으로 인해 약간의 잔류 오차가 있음을 보여준다.

자동 제로 조정으로 발전

자동 제로 조정은 증폭기에서 저주파 오차 원인을 샘플링하고 빼는 방식으로 작동하는 동적 교정 기술이다. 기본적인 자동 제로 증폭기는 오프셋 및 잡음이 불가피한 증폭기, 입출력을 재구성하기 위한 스위치, 자동 제로 샘플링 커패시터로 구성된다(그림 4).

자동 제로 단계(Φ1) 동안 회로의 입력은 공통 전압으로 단락되고 자동 제로 커패시터는 입력 오프셋 전압과 잡음을 샘플링한다. 이 단계에서는 증폭기를 다른 작업에서 점유하고 있으므로 신호 증폭에 ‘사용할 수 없음’을 반드시 유념해야 한다. 따라서 자동 제로 조정 증폭기가 연속적인 방식으로 작동하려면 2개의 동일한 채널을 ‘ping-pong’ 자동 제로 조정이라고 하는 방식으로 인터리브해야 한다.

증폭 단계(Φ2) 동안 입력이 신호 경로에 다시 연결되며 증폭기를 다시 사용하여 신호를 증폭할 수 있다. 저주파 잡음, 오프셋, 드리프트는 자동 제로 조정을 통해 상쇄된다. 나머지 오차는 현재 값과 이전 오차 샘플 간의 차이이다.

저주파 오차 원인은 Φ1에서 Φ2까지 크게 변하지 않기 때문에 빼기가 수월하다. 그러나 고주파 잡음은 기저대역으로 앨리어싱되어 백색 잡음 플로어가 증가한다(그림 5).

개선된 자동 제로 조정 IC 증폭기의 성능은 탁월하다. 일반적으로 중요한 오프셋, 드리프트, 잡음 사양에서 ‘매우 우수한’ 정밀 연산 증폭기보다 1 ~ 2배 더 우수하다. 따라서 제로는 분명히 0은 아니지만 0에 매우 가깝다.

예를 들어, ADA4528은 단일 채널, 레일 투 레일(RTR), 제로 드리프트 증폭기이다. 특징으로는 최대 오프셋 전압 2.5μV, 최대 오프셋 전압 드리프트 0.015μV/℃, 전압 잡음 강도 5.6nV/√Hz(f = 1kHz, 이득은 +100), 97nVpeak-peak(f = 0.1Hz ~ 10Hz, 이득은 +100)가 있다. 또 다른 단일 채널 RTR 제로 드리프트 증폭기인 ADA4522는 최대 오프셋 전압 5μV, 최대 오프셋 전압 드리프트 22nV/℃, 일반적으로 전압 잡음 강도 5.8nV/√Hz, 117nVpeak-peak(0.1Hz ~ 10 Hz)를 제공하며 입력 바이어스 전류는 50pA이다.

‘완벽함’을 손상시키는 아티팩트

초핑은 원치 않는 오프셋, 드리프트, 1/f 잡음을 제거하는 데 효과적이지만 본질적으로 출력 리플 및 결함과 같은 원치 않는 AC 아티팩트를 생성한다. 그러나 각 아티팩트의 근본 원인을 면밀히 검토한 후 개선되거나 정교해진 토폴로지 및 공정 접근 방식을 사용하기 때문에 Analog Devices의 제로 드리프트 제품은 이러한 아티팩트의 크기를 훨씬 작게 만들었고 시스템 수준에서 필터링하기 쉬운 더 높은 주파수에 배치했다. 해당 아티팩트는 다음과 같다.

• 리플: 이러한 저주파 오차를 초핑 주파수의 홀수 고조파로 이동시키는 초핑 변조 기술의 기본적인 결과이다. 증폭기 설계자는 리플의 영향을 줄이기 위해 다음과 같은 다양한 방법을 사용한다.

- 생산 오프셋 트리밍: 초기 트림을 한 번 수행하여 공칭 오프셋을 크게 줄일 수 있지만 오프셋 드리프트와 1/f 잡음은 그대로 남아 있다.

- 초핑과 자동 제로 조정 결합: 증폭기는 먼저 자동 제로 조정 후 초핑하여 증가된 잡음 스펙트럼 강도(NSD)를 더 높은 주파수로 상향 변조한다.

- 자동 수정 피드백(ACFB): 로컬 피드백 루프를 사용하여 출력에서 변조된 리플을 감지하고 저주파 오차를 그 원인 단계에서 무효화할 수 있다.

• 결함: 초핑 스위치의 전하 주입 불일치로 인해 발생하는 과도 스파이크이다. 이러한 결함의 크기는 소스 임피던스 및 전하 불일치 정도를 비롯하여 여러 요인에 따라 달라진다.

결함 스파이크는 초핑 주파수의 짝수 고조파에서 아티팩트를 유발할 뿐만 아니라 초핑 주파수에 비례하는 잔류 DC 오프셋을 생성한다. 그림 6의 왼쪽은 초핑 스위치 내부(V1)와 출력 초핑 스위치 이후(V2)의 스파이크 모양을 보여준다. 초핑 주파수의 짝수 고조파에서 추가적인 결함 아티팩트는 한정된 증폭기 대역폭으로 인해 발생한다(그림 6의 오른쪽).

리플과 마찬가지로 증폭기 설계자들은 제로 드리프트 증폭기에서 발생하는 결함의 영향을 줄이기 위해 미묘하지만 효과적인 기술을 고안하고 구현했다.

• 전하 주입 트림: 초핑된 증폭기의 입력에 트리밍할 수 있는 전하를 주입하여 전하 불일치를 보정함으로써 연산 증폭기의 입력에서 입력 전류의 양을 줄일 수 있다.

• 다중 채널 초핑: 결함 크기를 줄일 뿐만 아니라 더 높은 주파수로 이동시켜 더 쉽게 필터링한다. 이 기술은 결함을 더 자주 발생시키지만 더 높은 주파수에서 단순히 초핑하는 것보다 크기가 더 작아진다.

일반적인 제로 드리프트 증폭기(A)와 ADA4522의 비교를 통해 다중 채널 초핑의 명확한 모습을 확인할 수 있다. ADA4522는 이 기술을 사용하여 결함의 영향을 크게 줄였다(그림 7).

[그림 7] 수정된 초핑 기술의 결과로 잡음 결함이 더 작아졌으며 ADA4522는 전압 스파이크를 잡음 플로어까지 낮추었다. (이미지 출처: Analog Devices)

단독 증폭기 성능부터 시스템 성능까지

광대역 제로 드리프트 증폭기를 효과적으로 활용하려면 증폭기뿐만 아니라 시스템 수준 문제를 신중하게 고려해야 한다. 주파수 아티팩트가 주파수 스펙트럼에서 남아있는 위치와 그 영향을 파악하는 것이 중요하다.

초핑 주파수는 일반적으로 규격서에 명시되어 있지 않지만 항상 그렇지는 않다. 또한 잡음 스펙트럼 플롯을 보고 확인할 수도 있다. 예를 들어 ADA4528의 규격서에는 초핑 주파수가 200kHz로 명시되어 있다. 또한 잡음 강도 플롯에서도 확인할 수 있다(그림 8).

ADA4522 규격서에는 초핑 주파수가 4.8MHz이며 오프셋 및 리플 보정 루프가 800kHz에서 작동한다고 명시되어 있다. 그림 9의 잡음 강도 그래프는 그러한 잡음 피크를 보여준다. 또한 단위 이득일 때 루프의 위상 마진이 감소하기 때문에 6MHz에서 잡음 범프가 발생하지만 이는 제로 드리프트 증폭기에만 국한되지 않다.

설계자는 규격서에 명시된 주파수가 일반적인 수치이며 부품마다 다를 수 있음을 염두에 두어야 한다. 따라서 다중 신호 조정 채널을 위해 2개의 초핑 증폭기가 필요한 시스템 설계에서는 이중 증폭기를 사용해야 한다. 이는 두 개의 단일 증폭기가 가지는 초핑 주파수가 약간 다를 수 있기 때문에 상호 작용하여 추가 IMD를 유발할 수 있다.

기타 시스템 수준 설계 조건은 다음과 같다.

• 입력 소스 임피던스 일치: 과도 전류 결함은 입력 소스 임피던스와 상호 작용하여 차동 전압 오차를 유발하여 초핑 주파수의 배수에 잠재적으로 추가 아티팩트를 유발할 수 있다. 이러한 잠재적 오차의 원인을 최소화하려면 초핑 증폭기의 각 입력이 동일한 임피던스를 갖도록 설계해야 한다.

• IMD 및 앨리어싱 아티팩트: 초핑 증폭기 입력 신호와 초핑 주파수(fCHOP)를 연립하여 합하거나 뺀 결과와 해당 고조파(fIN ± fCHOP, fIN ± 2fCHOP, 2fIN ± fCHOP 등)에서 IMD가 발생할 수 있다. 이러한 IMD 결과물은 특히 fIN가 초핑 주파수에 근접할 때 관심 대역에 나타날 수 있다. 그러나 입력 신호 대역폭보다 훨씬 큰 초핑 주파수의 제로 드리프트 증폭기를 선택하면 이 증폭기 스테이지 전에 fCHOP에 근접한 주파수에서 ‘간섭’가능성이 있는 요소를 필터링하여 이 문제를 상당히 최소화할 수 있다.

아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 사용하여 증폭기 출력을 샘플링할 때 초핑 아티팩트가 앨리어싱될 수도 있다. 이러한 IMD 결과물의 세부 사항은 결함 및 리플 크기에 따라 달라지며 부품마다 다를 수 있으므로 IMD를 줄이기 위해 ADC 앞에 안티앨리어싱 필터를 포함시키는 경우가 많다.

당연히 필터링은 시스템 수준에서 이러한 고주파 아티팩트를 처리하는 가장 효과적인 방법이기 때문에 제로 드리프트 증폭기의 잠재력을 최대한 실현하는데 매우 중요하다. 제로 드리프트 증폭기와 ADC 사이의 저역 통과 필터는 초핑 아티팩트를 줄이고 앨리어싱을 방지한다.

초핑 주파수가 더 높은 제로 드리프트 증폭기는 LPF의 요구 사항을 완화할 뿐 아니라 더 넓은 신호 대역폭을 허용한다. 그럼에도 불구하고 시스템과 신호 체인에 필요한 대역 외 제거 정도에 따라 간단한 필터가 아닌 고차 능동 필터가 필요할 수 있다.

ADI는 다중 피드백 필터 튜토리얼(MT-220) 및 온라인 Wizard 필터 설계 도구를 포함하여 빠르고 간단한 필터 설계를 위한 다양한 리소스를 보유하고 있다. 이러한 초핑 아티팩트가 발생하는 주파수를 알면 필요한 필터를 만드는 데 도움이 된다(그림 10).

[그림 10] 이 표에는 잡음 유형과 제로 드리프트 증폭기에 대한 스펙트럼 위치가 요약되어 있으며 필요한 필터링 유형과 위치를 평가하는 데 유용한 가이드가 포함되어 있다. (이미지 출처: Analog Devices)

마지막 성능 향상

신중한 시스템 설계와 함께 우수한 부품을 사용할 때 설계자가 직면하는 문제 중 하나는 잔류 오차 원인이 중요해진다는 것이다. 이전에는 관련이 없거나 눈에 띄지 않았던 오차 원인이 이제 최고 수준의 성능을 달성하는 데 제한 요소가 된다(강물이 가뭄으로 말라 강바닥이 처음으로 드러나는 것과 유사함). 즉 1차, 2차 오차 원인이 최소화되거나 제거되면 3차 오차 원인이 문제가 된다.

예를 들어 제로 드리프트 증폭기 및 아날로그 신호 채널의 경우 오프셋 오차의 한 가지 잠재적 원인은 회로 기판의 제베크 전압이다. 제베크 전압은 서로 다른 두 금속의 접합부에서 발생하는 접합부 온도와 상관관계가 있다. 회로 기판에서 가장 일반적인 금속 접합부는 납땜 기판 트레이스와 납땜 부품 리드이다.

인쇄 회로 기판(pc 기판)에 납땜된 표면 실장 부품의 단면을 생각해 보자(그림 11). TA2와 다른 TA1과 같이 기판 전체에서 온도 변화로 인해 납땜 조인트에서 제베크 전압이 일치하지 않아 열 전압 오차가 발생하여 제로 드리프트 증폭기의 초저 오프셋 전압 성능이 저하된다.

이러한 열전대 효과를 최소화하려면 다양한 열원이 양쪽 끝에 동일하게 가열되도록 저항기의 방향을 설정해야 한다. 가능한 경우 입력 신호 경로에는 열전대 접합부의 개수 및 유형과 일치하는 부품 개수 및 유형이 포함되어야 한다. 0옴 저항기와 같은 더미 부품을 사용하여 열전 오차 원인을 일치시킬 수 있다(실제 저항은 반대 입력 경로에 있음). 일치하는 부품을 가까운 곳에 배치하고 동일한 방향으로 배치하면 제베크 전압이 동일하게 유지되므로 열 오차가 상쇄된다.

또한 열전도를 평형 상태로 유지하기 위해 길이가 같은 리드를 사용해야 할 수도 있다. 기판의 열원은 증폭기 입력 회로망과 최대한 멀리 떨어져야 한다. 추가로 접지 평면을 사용하면 기판 전체에 열을 분산시켜 기판 전체에 일정한 온도를 유지하고 EMI 잡음 픽업을 줄일 수 있다.

결론

오늘날의 제로 드리프트 IC는 매우 안정적이고 정확한 성능을 제공하므로 매우 낮은 주파수 신호를 캡처할 때 정밀도와 일관성이 요구되는 실제 응용 분야에서 AFE 문제를 해결하는 솔루션이다. 이 솔루션은 DC 또는 DC에 근접한 신호를 정확하게 증폭하는 오랜 문제를 해결할 뿐만 아니라 더 넓은 대역폭이 필요한 많은 상황을 해결한다. 이러한 증폭기를 단일 IC에 구축하는 두 가지 기술(초퍼 기반 안정화 장치와 자동 제로 조정)을 결합함으로써 설계자는 각 접근 방식의 긍정적인 특성을 활용할 수 있으며 아티팩트와 단점을 크게 최소화할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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